1、 年第 期非四自吸柴油机高海拔碳烟排放特性研究曾夏寒,张双付,候春元,李瑞,王贵龙(中汽研汽车检验中心(昆明)有限公司,云南 昆明 )摘要:基于高原进排气海拔模拟系统,针对非四自吸柴油机开展变海拔的碳烟排放差异性研究,并分析高海拔碳烟排放差异的影响因素.研究表明,随着海拔的增加,柴油机碳烟排放降低,主要与高原进气量不足而降低供油量以实现低排放的标定策略相关;随着海拔的增加,柴油机的进气量、供油量与喷油提前角均降低,降幅速率约为 /m,m海拔的供油参数较平原的降幅超过 ;非道路移动机械因其作业的特殊性,其实际运行工况多集中于中间转速与额定转速下,该发动机相同负荷的碳烟排放相近,但额定转速下的碳烟
2、排放较中间转速高.关键词:非四;柴油机;高海拔;碳烟;排放特性中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()E x p e r i m e n t a l S t u d yo nN o nR o a dP h a s e I VS e l fP r i m i n gD i e s e lE n g i n e sC a r b o nS m o k eE m i s s i o nC h a r a c t e r i s t i c sa tH i g hA l t i t u d eZ e n gX i a h a n,Z h a n gS h u a n g f u,H o uC
3、 h u n y u a n,L iR u i,W a n gG u i l o n g(C AT A R CA u t o m o t i v eT e s tC e n t e r(K u n m i n g)C o,L t d,Y u n n a nK u n m i n g )A b s t r a c t:B a s e do nt h ea l t i t u d es i m u l a t i o ns y s t e mf o rp l a t e a ui n t a k ea n de x h a u s t,as t u d yw a sc o n d u c t e
4、do nt h ed i f f e r e n c e s i nc a r b o ns m o k e e m i s s i o n s a t d i f f e r e n t a l t i t u d e s f o rn o n r o a dp h a s e I Vs e l f p r i m i n gd i e s e l e n g i n e s,a n d t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so f t h ed i f f e r e n c e s i nc a r b o ns m o k ee m i s
5、s i o n sa th i g ha l t i t u d e sw e r ea n a l y s e d T h er e s e a r c hh a ss h o w nt h a tw i t h i n c r e a s i n ga l t i t u d e,t h e c a r b o ns m o k e e m i s s i o n so f d i e s e l e n g i n e sd e c r e a s e,w h i c h i sm a i n l yr e l a t e dt o t h ec a l i b r a t i o ns
6、 t r a t e g yo f r e d u c i n g t h e f u e l s u p p l y t oa c h i e v e l o we m i s s i o n sd u e t o i n s u f f i c i e n t i n t a k e a t h i g ha l t i t u d e s;w i t h i n c r e a s i n ga l t i t u d e,t h e i n t a k e v o l u m e,f u e l s u p p l yv o l u m e a n d f u e l i n j e
7、c t i o na d v a n c e a n g l e o f t h e d i e s e l e n g i n e a l l d e c r e a s e,w i t had e c r e a s e r a t eo fa b o u t /mT h e f u e l s u p p l yp a r a m e t e r sa ta na l t i t u d eo f md e c r e a s eb ym o r et h a n c o m p a r e d t o t h ep l a i n;d u e t o t h e s p e c i a
8、 l n a t u r eo f t h eo p e r a t i o no f n o n r o a dm o b i l em a c h i n e r y,i t s a c t u a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r em o s t l yc o n c e n t r a t e da t i n t e r m e d i a t ea n dr a t e ds p e e d s T h es o o t e m i s s i o n so f t h i se n g i n ea r es i m i l a
9、 ru n d e rt h e s a m e l o a d,b u t t h e s o o t e m i s s i o n s a t r a t e ds p e e da r eh i g h e r t h a n t h o s e a t i n t e r m e d i a t e s p e e d K e yw o r d s:N o n r o a ds t a g e I V;D i e s e l e n g i n e s;H i g ha l t i t u d e;S m o k e;E m i s s i o nc h a r a c t e r
10、i s t i c s作者简介:曾夏寒(),男,云南省,汉族,助理工程师,学士学位,主要研究方向为发动机检测认证及测试技术.前言随着节能减排国际化需求与国内的双碳目标远景,国家相继出台并实施了一系列政策与法规以规范各行业建设与限制环境污染物的排放.柴油机因其良好的动力性与燃油经济性而被广泛用于交通领域,但其颗粒物排放(PM)是同排量汽油机的 倍.柴油机主要用于道路与非道路用机械,非道路用机械包括农用机械、工程机械与发电用机械的动力装置,其作业工况差异较大,致其后处理技术路线及排放差异明显.柴油机颗粒捕集器(D P F)是目前后处理降低碳烟颗粒排放的系统部件之一,其捕集效率高达 以上,因此尾排颗
11、粒物几乎为零.颗粒物捕集器分为颗粒捕集与再生两个阶段,均受颗粒沉积的影响,有必要对发动机碳烟排放特性及其影响因素进行分析,尤其是不同海拔下碳烟排放差异.年 月日起,新生产的非道路发动机均需要满足非四阶段的排放法规所要求的限值.基于国六发动机技术路线,非道路柴油机将匹配包括D P F在内的后处理系统,因此了解非道路柴油机碳烟生成机理将有助于D P F实际应用与维护.谭丕强等人研究发现,随着碳烟可溶有机组分的增加,颗粒物的起然温度降低.D P F再生是清除颗粒物的关键步骤,发动机排气碳烟的排放特性对D P F捕集效率、再生时刻与再生时间影响明显,尤其是再生温度.再生温度过低会导致再生时间过长或再生
12、不完全,温度过高造成D P F内部温度过高而损坏.因此,有必要对高海拔碳烟排放特性进行分析.根据非道路柴油机排放控制标准,非道路柴油机进行型式检验时仅需使用非道路稳态测试循环(N R S C)进行试验以评价其排放是否达标,但缺少对瞬变过程排放数据的分析,因此研究选用RMC试验循环工况进行试验.RMC循环是基于N R S C离散循环提出的一种伪瞬态排放循环,其主要由N R S C的稳态工况与其相邻稳态工况的过渡工况构成,旨在对非道路柴油机瞬变工况的排放检测.研究分了不同海拔下RMC试验的碳烟排放差异,并对其产生差异的原因进行分析.试验方法,试验设备 试验方法试验通过进排气海拔模拟系统对某非四柴油
13、机进行不同海拔条件下的RMC测试循环的试验研究,试验分别模拟m、m、m海拔,试验进气温度控制为,进气相对湿度控制为 .试验发动机主要内燃机与配件w w w n r j p j c n参数如表所示.表发动机主要参数项目参数气缸排列型式直列缸进气方式自吸发火顺序缸径行程(mm)排量(L)燃烧室结构开式压缩比 :额定功率/转速(kW/r/m i n)/最大扭矩/转速(Nm/r/m i n)/试验设备研究用测试设备主要包括进排气海拔模拟系统、电力测功机、排放分析仪、油耗仪、进气流量计等,主要测试设备参数见表.表测试设备设备名称主要参数AV L_C o n s y s A i r&C_E E U进排气海
14、拔模拟系统海拔模拟:米压力模拟:m b a r温度:湿度:g HO/干空气AV LD YN O F O R C EA S M /电力测功机扭矩:Nm功率:k W 碳烟采样测量范围:m g/m,m g/m(稀释率 倍)HO R I B A F Q 油耗仪 k g/hA B B进气流量计 k g/h结果与讨论研究过程开展了RMC试验,其为N R S C离散工况基础上提出的,主要添加了过渡工况的排放测试.非道路柴油机通常为单个或多个稳定工况进行作业,其工况切换过程的排放未能清晰反馈,RMC基于N R S C离散工况而开发,具体构成详见表所示,基于N R S C的C 工况形成的RMC循环工况.表RMC
15、工况构成RMC工况序号时间/s发动机转速扭矩百分比稳态 怠速瞬态 线性过渡线性过渡稳态 中间转速 瞬态 中间转速线性过渡稳态 中间转速 瞬态 中间转速线性过渡稳态 中间转速 瞬态 线性过渡线性过渡稳态 额定转速 瞬态 额定转速线性过渡稳态 额定转速 瞬态 额定转速线性过渡稳态 额定转速 瞬态 额定转速线性过渡稳态 额定转速 瞬态 线性过渡线性过渡稳态 怠速 碳烟比排放计算当前排放法规均采用g/k W h对各污染物进行评价,因此需要对RMC循环的每一个工况点的排放数据进行计算,RMC循环工况累计 s,台架用 设备进行发动机碳烟采样,单位为m g/m.根据采样数据计算循环累碳烟累计排放量,在转化为
16、比排放,评价碳烟排放差异.eP MmP M/Wa c tmP MimiVe x hiii,eP M是碳烟比排放,g/k W h;mP M是试验循环碳烟总排放量,g/t e s t;Wa c t是发动机的实际循环功,k W h;mi是碳烟瞬时采样量,m g/m;Ve x h i是发动机的排气体积流量,m/h.RMC碳烟测试结果评价及分析本文开展了 m、m、m海拔下的RMC排放循环测试,分析海拔变化对柴油机碳烟排放的影响.研究机型采用了E G RD O CD P F的后处理技术,E G R系统够实现发动机机内净化N O x,D O C在尾气阶段降低C O、HC的排放,D P F通过壁面捕集发动机排
17、气颗粒物以降低其排放到大气中.表RMC排放结果显示,随着海拔的增加,碳烟排放降低,N O x排放增加.m海拔下,原排碳烟仅为 g/k W h,降幅超过;N O x排放为 g/k W h,增幅达.尾排碳烟受海拔的影响不明显,整体与原排呈现相反的变化规律,主要受原排碳烟及D P F累碳时间的影响.相同的试验循环下(测试时长一致),当原排碳烟排放越大,尾排碳烟排放会越小,受D P F孔道通过率的影响.由于该机型为自吸柴油机,海拔增加对其进气量的影响特别明显,如图所示,m海拔下发动机进气量较平原降低,导致发动机性能下降,即高海拔限扭.若按照平原的喷油策略,高原环境下黑烟特别严重,因此需调节喷油参数以抑
18、制发动机燃烧过程碳烟的生成.表RMC排放结果海拔(m)原排s o o t(g/k Wh)尾排s o o t(g/k Wh)N O x(g/k Wh)图循环进气量与喷油量图喷油提前角与喷油压力图 比较了 m、m与 m海拔的喷油参数差异.随着海拔的增加,大气压力、氧含量的降低,喷油参数必须进行相应的调节,才能降低发动机燃烧过程的碳烟生成.图示,循环进气量与循环供油量同步降低,但更高海拔的循环进气量降幅更加明显;喷油提前角后移,燃烧重心后移,预 年第 期混及后燃占比增加,导致C O、H C排放增加,碳烟生成速率降低.随着海拔的增加,喷油压力降低,引起燃油的扩散不充分,易造成燃烧恶化,但高海拔进气压力
19、降低引起压缩上止点的压力和温度较平原低,油滴颗粒的裂解过程延长,同步降低碳烟的生成.因此,循环喷油量、喷油提前角及喷油压力的降低会减少碳烟的生成,降低P M排放.图碳烟瞬时排放比较图喷油量的瞬时变化图进气量的瞬时变化 RMC循环秒采数据分析测试循环的统计结果只能反馈整个试验过程的污染物排放情况,不能反映出某一工况下发动机的排放,因此需要对其瞬态排放特性进行分析.图为 m碳烟瞬态排放情况.不同海拔下,发动机原排碳烟均随扭矩同步变化,扭矩越大,碳烟排放越高.瞬态碳烟整体表现为随着海拔增加而降低,如 s s之间、s s之间显示 m的瞬态碳烟排放较平原高,需要对其相关过程的喷油参数进行分析.循环喷油量
20、和循环进气量随发动机扭矩同步变化,不同海拔下 S s之间的进气出现差异,导致 m和 m的碳烟与 m的碳烟排放变化规律不一致,因为喷油不变而进气减小会促进碳烟的生成.图额定转速下碳烟排放比较海拔的增加,发动机缸内压缩压力降低,燃油的相对贯穿距离增加,因此高海拔下供油压力降低以防止油滴触壁,并同 步 降 低 供 油 量,m供 油 量 较 平 原 降 低,供油压力较平原降低.随着供油压力与油量的降低,在柴油机稀燃环境下,其高海拔碳烟生成条件不足,因此 m碳烟排放较平原降低,但发动机性能也同步降低近.稳态工况点的碳烟排放分析对上述RMC循环工况的稳态过程的碳烟排放进行分析,研究发动机负荷变化对其碳烟生
21、成的影响,详见图所示.分别针对额定转速和中间转速下负荷变化对柴油机的碳烟排放的影响进行研究.在额定转速下,随着扭矩的降低,柴油机碳烟排放减小.随着海拔的增加,碳烟排放明显减小,尤其是 扭矩下,同时自吸柴油机在 m海拔环境的喷油急剧降低也抑制了碳烟的生成.相同的,中间转速也表现出类似的变化规律.结论基于高原进排气海拔模拟系统,针对非四自吸发动机开展了不同海拔的碳烟排放差异性研究,并对其影响因素进行分析.()随着海拔的增加,柴油机的进气充量较平原降幅明显,为降低发动机高原排放恶化,通常以降低其喷油量的策略实现排放与性能的平衡.随着后处理技术的应用,尾排碳烟排放均可降到较低水平,实现碳烟的超低排放.
22、()碳烟的生成随着发动机工况的变化而变化,实质是油气匹配.研究发现,随着海拔的增加,发动机的喷油量、喷油压力与喷油提前角均会减低,尤其是 m环境下.()RMC循环主要分额定转速与中间转速下的变负荷工况,同转速下低负荷的碳烟排放较高负荷低,一定海拔下发动机相同负荷的碳烟排放水平相近.参考文献:孟忠伟,李路,陈鹏,等D P F白载体传热特性的试验研究J内燃机工程,():Y uM,L u s sD,B a l a k o t a i a hVA n a l y s i so f i g n i t i o n i nad i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e
23、 rJC a t a l y s i sT o d a y,:K a r i nP,S o n g s a e n g c h a nY,L a o s u w a nS,e t a l N a n o s t r u c t u r ei n v e s t i g a t i o no fp a r t i c l ee m i s s i o nb yu s i n gT EMi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o dJE n e r g yP r o c e d i a,:谭丕强车用柴油机排气微粒捕集系统从过滤机理到再生性能的基础研究D上海:同济大学汽车学院,纪永飞,严伟强基于闭环的D P F主动再生温度控制策略研究J现代车用动力,():孟忠伟,张靖,闫妍柴油机颗粒物捕集器再生性能仿真分析J西华大学学报:自然科学版,():崔焕星,李刚,季宝峰,等非道路柴油机不同稳态排放循环测试结果对比J中国测试,():王成官,楼狄明,谭丕强,等模拟海拔高度对柴油机燃烧影响的可视化试验J同济大学学报(自然科学版),():
